고휘도 발광 다이오드의 디밍

내셔널 세미컨덕터

글 : 우위 코프(Uwe Kopp) / 필드 애플리케이션 엔지니어내셔널세미컨덕터 / www.national.comHB LED(High Brightness Light Emitting Diode)는 효율과 밝기가 지난 10여년 동안 획기적으로 개선됨에 따라 다양한 애플리케이션에 폭 넓게 사용되고 있다. HB LED는 15lumen/W의 조명 출력을 통과했고 연구자들은 60lumen/W를 제안하고 있다. 이러한 조명 출력의 발전은 InGaN 및 InGaAIP 같은 새로운 반도체 합성물을 사용함으로써 가능하게 되었다. 전구 같은 기존의 조명 소스가 아닌 새로운 애플리케이션으로 시장에 진출할 수 있는 장점은 안정성과 긴 수명(약 50,000시간)이다. 10년 이상의 수명 기간 동안 저하되는 조명 출력은 30% 정도에 불과하다. 또 다른 주요 장점은 LED의 충격 저항으로 끊어지는 선이 없다.HB LED의 애플리케이션위에서 언급한 뛰어난 장점 덕분에 응용 분야에 있어 큰 성장을 보여 왔으며, 그 예로 LCD 백라이트, 전광판, 교통 신호등, 내부 조명, 건축 조명, 자동차 미등을 들 수 있다. 2008년에는 최초로 HB LED 전조등을 갖춘 자동차가 양산될 예정이다. 디밍은 이러한 많은 애플리케이션에서 필수적인 요소이다. 예를 들어, 차량의 미등은 정상 주행 시와 브레이크를 걸었을 때의 강도가 달라야 하며, 건축 조명의 경우 다양한 분위기를 만들기 위해 디밍을 사용한다. 향후 자동차 시장과 더불어 가정 및 건축 조명은 주요 시장으로 떠오를 것으로 예상된다.모두 장단점이 있지만 간단한 가변 레지스터 로드에서 PWM(Pulse Width Modulation) 스위칭까지 여러 가지 방법이 있다. 최고의 효율과 가장 정밀한 전류 제어는 PWM 디밍을 통해 달성된다. 이 애플리케이션 노트에서는 밝기와 포워드 전류, 파장 변경(컬러 이동) 및 컨트롤러의 듀티 사이클 제한 같이 디밍 동안의 LED 동작에 대해 설명한다. 이를 위해 LM3405 데모 보드의 레이아웃, 구조도 및 구성 요소 목록과 함께 그 기능을 소개하고 설명한다.LED 드라이버 이면의 기본 원리LED에서 공급하는 1W의 전력에서는 전압 소스(LDO, 스위처, 트랜지스터) 및 시리즈 레지스터를 사용하여 전류 소스를 구성할 수 있다. 사람의 눈은 낮은 루멘 조명 출력에서 전류의 변화로 인한 밝기 및 컬러 변화에 그리 민감하지가 못하다. 그러나 체인에 여러 LED가 사용되거나 HB LED가 사용되면 레귤레이터가 전류 소스가 되어야 한다. 그 이유는 무엇일까? LED 포워드 전압 VF는 포워드 전류 IF마다 다르며, 이 전류는 똑같이 생산을 해도 LED마다 다르기 마련이다. 더 높은 전류에서 강도 변화는 종종 20%이다. 특히 HB LED의 경우 제조업체는 컬러와 밝기별로 넓은 VF 범위를 허용할 수 있다. 특히 VF는 온도에 따라 변하는 특징이 있다. 가령 밸러스트 레지스터를 사용하면 조명 소스에서 컬러와 밝기가 매우 눈에 띄게 바뀐다. 안정적인 컬러 온도를 보장하는 유일한 방법은 IF 상수를 유지하는 것이다.HB LED의 모든 제조업체는 이 주제에 대한 곡선과 추가 세부 사항이 있는 애플리케이션 노트를 발행하였다.대부분의 설계자는 전압 레귤레이터에 익숙하지만 LED에 대한 전류 레귤레이터의 요구 사항은 매우 다르다. 일정한 출력 전류를 얻도록 전압 출력을 채택해야 한다. HB LED 드라이버의 출력 전류가 대부분의 애플리케이션에서 +/-10%로 바뀌는 것은 허용할 수 있으며 출력 리플은 DC 전류의 20% 정도가 될 수 있다. 리플의 20% 이상에서 사람의 눈은 밝기 변화를 알아채기 시작하고 40%가 되면 받아들일 수 없는 수준이 된다.장치 및 설계 예내셔널 세미컨덕터는 처음부터 LED 드라이버 시장에 투자했고 전류 레귤레이터 제품군을 출시했다. LM3402/ LM3404 및 LM3405 같은 최신 제품은 빠른 PWM 디밍을 갖는다.표 1은 디밍 기능을 사용하여 HB LED를 구동하는 내셔널 세미컨덕터의 여러 가지 대안을 나열하고 비교한다.일반적으로 전류 레귤레이터의 설계는 20% 미만의 델타 IL을 달성하기 위해 더 많은 인덕턴스가 필요로 한다. 긍정적인 측면에서 전류 레귤레이터는 표에서 보는 것처럼 전압 레귤레이터(LM25007)보다 적은 용량을 요구한다. LM3405에서는 1.6MHz의 높은 스위칭 주파수로 인해 인덕터 크기가 적다.펄스 폭 변조(PWM)를 사용한 디밍정밀한 제어를 찾고 있는 경우 PWM은 LED에서 조명 출력을 줄이는 선호하는 방법이다. 이 제어 방법은 상대적으로 안정적인 컬러 출력을 제공하면서 컨트롤러 효율을 높게 유지하고 있다. 디밍할 때 한 가지 중요한 조치는 명암비 CR(1/DDIM(min))이다. 이 숫자가 높을수록 조명 출력에 대한 보다 정밀한 제어가 가능하다. 드라이브 회로의 일부 제조업체는 디밍 주파수가 스위칭 주파수의 50% 정도가 될 수 있으므로 매우 양호한 명암비를 나타낸다고 주장한다. 이론상으로는 이것이 가능하며 비연속 유도 모드(DCM)와 연속 유도 모드(CCM) 사이에 레귤레이터가 적절히 작동해야 하므로 설계를 위한 최상의 방법은 될 수 없다. 설계는 PWM 주파수가 스위칭 주파수보다 낮은 수준에서 선택된 경우 안전성을 훨씬 향상된다. 실험실 테스트는 LM3405를 사용하여 최대 5kHz의 매우 좋은 결과를 보여주었다.실용적인 측면에서 최저 DIM 스위칭 주파수는 100Hz 이하의 스위칭이 사람 눈의 깜박임으로 인식된다는 사실에 의해 제공된다. 반면에 최고의 주파수는 DIM 펄스가 장치에 적용된 후에 회로의 시작 시간에 의해 제공된다. LM3405의 경우 장치는 전력 공급 리셋을 거친 다음 소프트 스타트 프로세스로 들어간다. LED 전류가 설정될 때까지 전체 지연(tD)은 100μs이다. 더욱이 DIM의 상승 시간(tSU)과 하강 시간(tSD)은 다음 최소 DIM 펄스에서 얻어지는 유한값이다.DDIM(min) = (tD + tSU)/ T이제 명암비를 계산할 수 있다. fDIM = 1000Hz라고 가정하면 TDIM = 1ms이다.데이터시트에서 tSU = 20 μsDDIM(min) = (20 μs + 100 μs)/1ms = 0.12및 명암비 CR = 1/ DDIM(min) = 8.3향상된 명암비의 경우 디밍 주파수 fDIM를 줄일 수 있는 것은 명백하다. 100Hz에서는 CR이 83이 된다. 이는 CR에 대해 최적화된 LM3404에 비교하면 높지 않으며 655:1 @ 500Hz의 명암비를 달성하여 백라이트 애플리케이션과 기계 비전을 표시하는 데 좋은 선택이 된다.수 백에 가까운 CR은 일반 조명 애플리케이션에 충분하다. LM3405는 디밍 없이 1A HB LED 드라이버를 구현하는 데 최소로 가장 쉽게 제공하도록 설계되었다. 70%(PSOP-8 vs. TSOT-6)로 패키지 크기를 줄인 한 핀에서 셧다운과 DIM을 결합하지만 100μs 시작 시간의 페널티를 제공한다.LM3405 데모 보드LM3405 데모 보드는 세 가지 사전 설정 전류에서 하나의 HB LED를 구동하도록 구성된다. 여러 제조업체의 LED는 커넥터 J1을 통해 테스트할 수 있다. 보드는 J5에서 4V~15V까지 LM3405의 전체 작동 범위에 제공될 수 있다.전류 모드 벅 레귤레이터이며 LED 부하에서 최대 1A의 정전류를 구하도록 LM3405가 특별히 채택되었다. 250mV(VREF)에서 최대 VO까지의 출력 전압 범위는 일반적인 94%의 최대 듀티 사이클로 결정된다. 실제로 대부분의 HB LED의 포워드 전압은 약 3.5V이다. VBOOST 전압은 내부 NMOS 스위치를 보호하기 위해 5.5V 미만이고 적절한 게이트 드라이브를 위해 2.5V보다 큰 VBOOST-VSW 요구 사항을 만족하는 VOUT 에서 D2까지 추출된다. VBOOST에서 VIN시리즈 Zener까지 변경되는 경우 연속으로 최대 3개의 LED는 보드가 연결될 수 있다(데이트시트 참조).LED 전류 설정보드는 커넥터 J2를 통해 설정할 수 있는 3가지 전류 설정 IF of 360mA, 670mA 및 975mA를 제공한다. LED 전류 IF은 레지스터 R2, R3, R4로 설정된다. 이러한 설정을 사용하려면 다음 등식을 사용하여 새로운 전류를 선택한다. IF = VFB /Rx 여기서 VFB은 대개 205mV이다. Rx는 LED에서 GND까지의 전류를 처리해야 하며 그에 따라 크기를 결정해야 한다.PWM 디밍EN/DIM 핀 4는 100k 레지스터(R12)를 통해 VIN에 연결되고 장치를 시동한다. 커넥터 J6을 사용하여 LED를 개방한 상태에서 J2를 통해 설정된 전류로 영구적으로 제공된다. 디밍은 J6을 단락하여 활성화되므로 펄스 폭 변조기를 EN/DIM에 연결한다. 변조기는 IC3가 안정 모드(1000Hz)에서 실행되고 IC4가 모노 안정 모드에서 펄스 폭 변조를 수행하는 2개의 LMC555 타이머 장치로 만들어진다.점퍼 J3을 내부 또는 외부 제어 전압으로 설정하여 변조기의 펄스 폭(=LED 밝기)을 변경할 수 있다. 내부 제어는 간단히 포트 RT1을 회전하여 달성된다. J3을 외부로 설정하고 J4(V-디밍)에서 1V와 10V 사이의 전압을 적용하면 세트 포인트의 정확성과 지식을 효과적으로 얻을 수 있다.보드의 선형 레귤레이터 LP2981은 IC3, IC4를 공급하는 데 사용되며 외부 디밍 제어의 참조 전압으로 사용된다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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